DPDK原理解析

一、DPDK简介

DPDK（Data Plane Development Kit）是由英特尔开发的一套数据平面开发工具包，可以高效地处理数据包。DPDK提供了很多的API，使得数据包处理的速度能够达到10Gbps以上，非常适用于网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等领域。DPDK不仅可以用于英特尔的CPU，也可以用于其他厂商的CPU，如ARM。

二、DPDK的主要组成部分

DPDK主要由以下几个组成部分构成：

• librte_eal：环境抽象层，提供了DPDK应用程序的基本环境
• librte_mbuf：数据包缓存管理库
• librte_ethdev：以太网设备访问库，用于管理网卡设备
• librte_pmd：物理设备驱动管理库，用于管理物理设备的驱动程序
• librte_ip_frag：IP分片库，用于重组大于MTU的数据包
• librte_kni：内核网络接口，用于在用户空间中快速复制接收到的数据包到内核空间
• librte_acl：Access Control List库，用于实现流量过滤和QoS等功能

三、DPDK的数据处理流程

DPDK的数据处理流程可以分为以下几个步骤：

• 1. 接收数据包：DPDK应用程序从网卡驱动程序中接收数据包
• 2. 分配mbuf：DPDK应用程序使用librte_mbuf库分配一个数据包缓存，这里的mbuf是一个数据包的缓存结构体，它包含了数据包的各种信息，如数据长度、数据指针等。
• 3. 数据包处理：DPDK应用程序使用一组处理函数对数据包进行处理，如数据包解析、协议转换、数据过滤、负载均衡、流量统计等。
• 4. 发送数据包：DPDK应用程序将处理后的数据包通过网卡驱动程序发送出去。

四、DPDK的代码示例

1. 接收数据包

#define RX_RING_SIZE 1024
#define NUM_MBUFS 8191
#define MBUF_CACHE_SIZE 250
#define BURST_SIZE 32

struct rte_mempool *mbuf_pool;

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 初始化 EAL
    rte_eal_init(argc, argv);

    // 创建内存池
    mbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("MBUF_POOL", NUM_MBUFS,
        MBUF_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
        rte_socket_id());

    // 创建以太网设备
    struct rte_eth_conf port_conf = {
        .rxmode = {
            .max_rx_pkt_len = RTE_ETHER_MAX_LEN,
            .split_hdr_size = 0,
            .header_split = 0,
            .hw_strip_crc = 1,
            .enable_scatter = 0,
            .enable_lro = 0,
        },
        .rx_adv_conf = {
            .rss_conf = {
                .rss_key = NULL,
                .rss_hf = ETH_RSS_IP,
            },
        },
    };

    uint16_t nb_ports = rte_eth_dev_count_avail();

    for (int port = 0; port < nb_ports; port++) {
        if (rte_eth_dev_configure(port, 1, 1, &port_conf) < 0) {
            // 配置失败
            return -1;
        }

        // 启用混杂模式
        rte_eth_promiscuous_enable(port);

        // 启动设备
        if (rte_eth_dev_start(port) < 0) {
            // 启动失败
            return -1;
        }

        // 设置入站队列
        rte_eth_rx_queue_setup(port, 0, RX_RING_SIZE,
            rte_eth_dev_socket_id(port), NULL, mbuf_pool);
    }

    // 接收数据包
    struct rte_mbuf *bufs[BURST_SIZE];
    while (1) {
        for (int port = 0; port < nb_ports; port++) {
            // 从网卡接收数据包
            const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst(port, 0, bufs, BURST_SIZE);
            if (nb_rx > 0) {
                // 处理数据包
                process_packet(bufs, nb_rx);
            }
        }
    }

    return 0;
}

2. 分配mbuf

void process_packet(struct rte_mbuf **bufs, uint16_t nb_rx) {
    for (uint16_t i = 0; i < nb_rx; i++) {
        // 从内存池中分配mbuf
        struct rte_mbuf *mbuf = rte_pktmbuf_alloc(mbuf_pool);
        if (mbuf == NULL) {
            // 分配失败
            return;
        }

        // 将数据包复制到mbuf
        struct rte_mbuf *pkt = bufs[i];
        rte_memcpy(rte_pktmbuf_mtod(mbuf, void *), rte_pktmbuf_mtod(pkt, void *), pkt->pkt_len);
        mbuf->pkt_len = pkt->pkt_len;
        mbuf->data_len = pkt->pkt_len;

        // 处理mbuf
        process_mbuf(mbuf);
    }
}

3. 数据包处理

void process_mbuf(struct rte_mbuf *mbuf) {
    // 解析以太网帧
    struct rte_ether_hdr *eth_hdr = rte_pktmbuf_mtod(mbuf, struct rte_ether_hdr *);
    uint16_t ether_type = rte_be_to_cpu_16(eth_hdr->ether_type);
    struct rte_ipv4_hdr *ipv4_hdr;
    struct rte_tcp_hdr *tcp_hdr;

    switch (ether_type) {
        case RTE_ETHER_TYPE_IPV4:
            ipv4_hdr = (struct rte_ipv4_hdr *)((char *)eth_hdr + RTE_ETHER_HDR_LEN);
            uint8_t protocol = ipv4_hdr->next_proto_id;
            switch (protocol) {
                case IPPROTO_TCP:
                    tcp_hdr = (struct rte_tcp_hdr *)((char *)ipv4_hdr + sizeof(struct rte_ipv4_hdr));
                    process_tcp_packet(mbuf, eth_hdr, ipv4_hdr, tcp_hdr);
                    break;
                default:
                    // 其他协议
                    break;
            }
            break;
        case RTE_ETHER_TYPE_ARP:
            // ARP协议
            break;
        default:
            // 其他协议
            break;
    }
}

void process_tcp_packet(struct rte_mbuf *mbuf, struct rte_ether_hdr *eth_hdr,
    struct rte_ipv4_hdr *ipv4_hdr, struct rte_tcp_hdr *tcp_hdr) {
    // 处理TCP数据包
    // ...
}

4. 发送数据包

void process_mbuf(struct rte_mbuf *mbuf) {
    // ...

    // 发送数据包
    struct rte_eth_dev_tx_buffer *buffer = NULL;
    const uint16_t port_id = 0;
    const uint16_t queue_id = 0;
    const uint16_t nb_tx = rte_eth_tx_buffer(port_id, queue_id, buffer, mbuf);
    if (nb_tx == 0) {
        rte_pktmbuf_free(mbuf);
    }
}

五、总结

DPDK可以极大地提高数据包处理的速度，因此在网络功能虚拟化和软件定义网络等领域得到了广泛的应用。本文介绍了DPDK的主要组成部分和数据处理流程，并给出了相关代码示例，希望能够为读者对DPDK有更深入的理解和应用提供帮助。